(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却液マニホールドを有する燃料電池において、積層セルの温度バラツキを低減する。【解決手段】燃料電池１０の奥側に位置する端部セルの外側、エンドプレート１８内に冷却液流路としてプレート内マニホールド１６ｂを形成し、冷却液供給マニホールド１６ａと連通する。冷却液量調整機構２４により、冷却液の動圧に応じ、動圧が増大するほどプレート内マニホールド１６ｂを流れる冷却液の流量が小さくなるように調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層セルを連通するように冷却液マニホールドが形成された燃料電池であって、
前記冷却液マニホールドに冷却液を供給する入口側から見て前記積層セルの奥側に位置する端部セルの外側に形成され、前記冷却液マニホールドに連通された冷却液流路と、
前記冷却液マニホールドに供給される冷却液の動圧に応じて、前記冷却液流路を流れる冷却液の流量を増減調整する調整手段と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記調整手段は、前記冷却液の動圧が増大するほど、前記冷却液流路を流れる冷却液の流量が小さくなるように調整することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１、２のいずれかに記載の燃料電池において、
前記冷却液流路に流れる冷却液の流量は、その流量により前記冷却液マニホールドに供給される冷却液のトータルの流量が５％乃至１０％増大する量であることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３の燃料電池において、
前記冷却液マニホールド内の少なくとも一部に、断熱チューブが配設されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルを積層してなる燃料電池に関し、特にその冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、セルを積層した燃料電池において、中央部セルと端部セルで温度差が発生することを考慮し、端部セルの外側に冷却流路を設ける構成が提案されている。
【０００３】
特許文献１には、セルと冷媒プレートを積層したスタック列を両側から挟むエンドプレートを備えた燃料電池の冷却構造において、スタック端部を冷却する冷却経路と、スタック中央部を冷却する冷却経路を備え、さらに、スタック中央部を冷却する冷却経路から排出された冷却水が流れる冷却経路をエンドプレートの内部に備えることが開示されている。中央部セルと端部セルを異なった冷却経路で冷却するので、各冷媒の流量を調整することで、中央部と端部の温度をそれぞれ調整することができるとしている。また、エンドプレートの内部に中央部を冷却した冷媒が通る冷却経路を設けることで、冷媒により端部セルを温めることができるとしている。
【０００４】
特許文献２には、温度に応じて屈曲角度が変化するバイメタル製のヒンジ部を端部側セルに熱伝導自体に接続し、端部側セルの温度に応じてヒンジ部の屈曲角度を変化させることにより、ヒンジ部に接続された冷却ガス流路閉鎖板を変位させ、端部側セルの冷却ガス流路の閉鎖の度合いを調整することが開示されている。すなわち、端部側セルに供給される冷却ガスの流量を端部側セルの温度に応じて調整することにより、放熱を調整することが開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、複数のセルがセパレータを介して接続され、各セパレータの積層方法に連通した内部マニホールドを通して冷却水や反応ガスなどの流体が各セルに供給または排出される固体高分子形燃料電池において、マニホールド内周の少なくとも一部に、断熱体を配設することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１１６３２３号公報
【特許文献２】特開２００５−１９７１３３号公報
【特許文献３】特開２００５−２０９５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池の積層されたセル（スタック）を連通するマニホールドを通して冷却水等の冷却液を供給して各セルを冷却する場合、手前のセルから冷却液が受熱するため積層方向の奥側にいくほど温度が上昇する。このため、積層方向の奥側ほどセル温度が高くなる傾向にある。冷却液量を増大すれば、各セルからの受熱によるマニホールド内での温度上昇を抑制することが可能ではあるが、冷却液を供給するポンプの消費電力が増大してしまい、燃料電池を車両に搭載した場合には燃費低下にもつながる。
【０００８】
また、単に端部セルの外側に冷却経路を設けて冷却液を供給する場合、必要ない場合にも端部セルの外側の経路に冷却水を供給することになるので、同様にポンプの消費電力が増大する。端部セルの温度を検出し、この温度に応じて冷却液の流量を調整する場合にも、温度に応じて屈曲角度が変化するバイメタル製のヒンジ部等を設けることが必要となり、スタックの大型化あるいはコストアップを招く。
【０００９】
本発明は、コスト増加や消費電力の増大を招くことなく、セル積層方向の温度バラツキを低減できる燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、積層セルを連通するように冷却液マニホールドが形成された燃料電池であって、前記冷却液マニホールドに冷却液を供給する入口側から見て前記積層セルの奥側に位置する端部セルの外側に形成され、前記冷却液マニホールドに連通された冷却液流路と、前記冷却液マニホールドに供給される冷却液の動圧に応じて、前記冷却液流路を流れる冷却液の流量を増減調整する調整手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の１つの実施形態では、前記調整手段は、前記冷却液の動圧が増大するほど、前記冷却液流路を流れる冷却液の流量が小さくなるように調整する。
【００１２】
また、本発明の他の実施形態では、前記冷却液流路に流れる冷却液の流量は、その流量により前記冷却液マニホールドに供給される冷却液のトータルの流量が５％乃至１０％増大する量である。
【００１３】
また、本発明のさらに他の実施形態では、前記冷却液マニホールド内の少なくとも一部に、断熱チューブが配設される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、セル積層方向の温度バラツキを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係る燃料電池の構成図である。
【図２】一般的な燃料電池の温度特性を示す図である。
【図３】流量を増大させた場合の温度特性を示すグラフ図である。
【図４】燃料電池の発電量と冷却液流量の関係を示すグラフ図である。
【図５】端部セルの外側に冷却液を１０％流してトータルの流量を１１０％とした場合の温度特性を示すグラフ図である。
【図６】ベース流量の場合、ベース流量の２倍の流量の場合、端部セル外側に５％流す場合、端部セル外側に１０％流す場合のセル入口冷却液温度特性を示すグラフ図である。
【図７】他の実施形態に係る燃料電池の構成図である。
【図８】断熱チューブの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図１に、本実施形態における燃料電池１０の構成図を示す。燃料電池１０の端部を含む一部構成図である。公知の如く、燃料電池１０は、膜−電極接合体ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを両側から一対のセパレータで挟んだセル（単位電池）１２を複数積層して構成される。ＭＥＡは、固体高分子からなる電解質膜と、電解質膜の一面に燃料ガスとしての水素が供給されるアノード極と、他面に酸化剤ガスとしての空気（又は酸素）が供給されるカソード極から構成される。セパレータは、メタルセパレータあるいはカーボンセパレータで構成される。
【００１８】
ＭＥＡのアノード極に接するセパレータには、アノード極と接する面内に燃料ガス流路が形成される。また、ＭＥＡのカソード極に接するセパレータには、カソード極と接する面内に酸化剤ガス流路が形成される。
【００１９】
また、燃料電池１０には、水素タンクから燃料ガス流路に水素を供給するために、積層されたセル１２を連通する燃料ガスマニホールドと、吸入口から酸化剤ガス流路に空気（又は酸素）を供給するために、積層されたセル１２を連通する酸化剤ガスマニホールドが形成される。
【００２０】
さらに、燃料電池１０には、セル冷却流路１４と、燃料電池１０を冷却するための冷却液をこれらのセル冷却流路１４に供給するために、積層されたセル１２を連通する冷却液マニホールドが形成される。
【００２１】
冷却液マニホールドは、冷却液を各セル１２のセル冷却流路１４に冷却液を分配供給するための冷却液供給マニホールド１６ａと、燃料電池１０端部のエンドプレート１８内に設けられたプレート内マニホールド１６ｂと、冷却液を排出するための冷却液排出マニホールド１６ｃから構成される。冷却液は、図中矢印で示すように、冷却液供給マニホールド１６ａ、セル冷却流路１４又はプレート内マニホールド１６ｂ、冷却液排出マニホールド１６ｃの順に流れて各セル１２を冷却する。図中、冷却液を供給する側、すなわち、冷却液供給マニホールド１６ａの入口が存在する側（図中左側）を便宜上「手前側」、エンドプレート１８が存在する側（図中右側）を入口側から見て便宜上「奥側」と称する。
【００２２】
また、冷却液供給マニホールド１６ａとプレート内マニホールド１６ｂとの境界、図１では冷却液供給マニホールド１６ａとプレート内マニホールド１６ｂの連通屈曲部に、冷却液量調整機構２４が配設される。冷却液量調整機構２４は、冷却液の動圧に応じ、冷却液の流量を自動調整する。すなわち、冷却液量調整機構２４は、冷却液の動圧が大きい（流速が早い）と、冷却液の流量を制限するように動作する。また、冷却液量調整機構２４は、冷却液の動圧が小さい（流速が遅い）と、冷却液の流量を増大するように動作する。冷却液量調整機構２４は、冷却液の動圧に応じ、動圧が小さい場合にはマニホールドの開放度を大きくし、動圧が大きい場合には開放度を小さくするように動作する、つまり、動圧に対して負の相関を有するように開放度を調整するともいえる。図１では、冷却液量調整機構２４は、弁２０とバネ２２から構成されるように模式的に示されている。弁２０は、支点の回りに回動自在に軸支されるとともに、バネ２２によりマニホールドの開口を開けるように付勢される。弁２０が図中ａ方向に回動するとマニホールドは閉じられ、ｂ方向に回動するとマニホールドは開放される。弁２０は、バネ２２によりｂ方向に付勢される。
【００２３】
冷却液の動圧が小さい場合、弁２０はバネ２２の付勢力によってｂ方向に回動し、マニホールドの開放度を大きくするように動く。一方、冷却液の動圧が大きいと、弁２０はバネ２２の付勢力に抗してａ方向に回動し、マニホールドの開口を絞るように動く。このように、冷却液量調整機構２４の弁２０とバネ２２は、冷却液の動圧に応じて自動的にマニホールドの開放度を調整して冷却液の流量を増減調整する。
【００２４】
もちろん、冷却液量調整機能２４のこのような弁２０とバネ２２の構成は一例にすぎず、冷却液の動圧に応じて開放度を調整する任意の構成を用いることができ、プレート内マニホールド１６ｂの断面積を増減させ、マニホールド内に抵抗を持たせる絞りでもよい。動圧の代わりに流量あるいは流速を用いてもよく、これらは互いに等価である。
【００２５】
図２に、一般的な燃料電池１０、すなわちプレート内マニホールド１６ｂを有さない燃料電池１０の温度特性を示す。図２（ｃ）に示すように、単に冷却液供給マニホールド１６ａから冷却液を供給し、各セルのセル冷却流路１６ｂに冷却液を分配し、冷却液排出マニホールド１６ｃから排出する構成である。各セル１２に冷却液が分配されるように供給するが、冷却液供給マニホールド１６ａを流れる冷却液は、図２（ｂ）に示すように奥側に行くにつれ徐々に流量が減っていく。また、マニホールド１６ａを流れる冷却液は、マニホールド１６ａを流れている間に各セル１２から受熱して温度が上昇する。このため、手前側に比べて奥側のセル１２は、その冷却流路１６ｂに流入してくる冷却液の温度が急激に高くなる傾向にある。
【００２６】
また、奥側セル１２のうち、エンドプレートに接する端部のセル１２は、エンドプレートによる外部放熱が大きいため、その温度が低くなる。
【００２７】
結局、図２（ａ）に示すように、セル入口の冷却液温度及びセル内最高温度は、手前側で低く、奥側にいくほど高くなり、端部セルにおいて再び低くなるという傾向を示す。図２（ａ）において、グラフ１００はセル入口の冷却液温度を示し、グラフ２００はセル内最高温度を示す。
【００２８】
このような温度バラツキが生じてしまうと、温度の高いセルは電解質膜が乾き気味となりあるいは温度の低いセルは、フラッディング気味となり、セル電圧にバラツキを生じ、燃料電池の最大出力が低下したり、ＭＥＡの劣化を促進してしまう。
【００２９】
一方、冷却液供給マニホールド１６ａに供給する冷却液の流量を増大させると、各セル１２に分配される冷却液がその分だけ増大するため、各セル１２の温度バラツキを小さくすることができる。
【００３０】
図３に、冷却液流量を所定量Ｆから２倍の２Ｆに増大させた場合の特性変化を示す。図３（ａ）は、各セル１２の入口の冷却液温度の変化であり、グラフ３００は冷却液流量がＦの場合、グラフ４００は冷却液流量が２Ｆの場合をそれぞれ示す。図３（ｂ）は、マニホールド１６ａを流れる冷却液流量の変化である。冷却液流量をＦから２Ｆに増大すると、奥側に行ってもある程度の冷却液流量を確保することができるため、奥側のセル１２も効果的に冷却することができ、手前側と奥側のセル１２の温度バラツキが低減される。
【００３１】
通常、冷却液の流量は燃料電池１０の発電量に伴って調整する必要があり、発電量が多いほどその分だけ各セル１２での発熱量も増大するため、これを冷却するための冷却液の流量も増大させる。
【００３２】
図４に、燃料電池１０の発電量と冷却液の流量との関係を示す。発電量が大きい場合には冷却液流量も増大するので、上記のようにセル１２の積層方向の温度バラツキも小さくなる。その一方、発電量が小さい場合には、冷却液流量も小さいので、セル１２の積層方向の温度バラツキが生じやすいので、これを補うべく、端部セル１２の外側にも冷却流路を形成する必要が生じる。端部セル１２の外側に冷却流路を形成して冷却液を通すと、その分だけマニホールドのトータルの冷却液流量を増大させることができるので、温度バラツキを低減することができる。
【００３３】
図５に、端部セル１２の外側に冷却経路を形成する場合、つまりエンドプレート１８内にプレート内マニホールド１６ｂを形成して冷却液を通し、トータルの冷却液の流量をＦ＋０．１Ｆとした場合の温度特性を示す。ここで、０．１Ｆは、プレート内マニホールド１６ｂを通る冷却液の流量であり、全体流量Ｆの１０％であることを示す。図５（ａ）は、セル入口の冷却液温度であり、グラフ５００は流量Ｆの場合、グラフ６００は流量Ｆ＋０．１Ｆの場合を示す。図５（ｂ）は、マニホールドを流れる冷却液流量である。流量Ｆの場合に比べて、流量Ｆ＋０．１Ｆの場合には、各セルに流れる流量が増大し、積層方向のセル１２の温度バラツキが低減している。
【００３４】
但し、端部セル１２の外側に流す冷却液の流量を増大させ過ぎると、徒に冷却液を供給するためのポンプの消費電力を増大させて燃費を低下させるだけでなく、冷却効率の観点からも無駄になる。したがって、冷却流量は最小限に留めておくことが好適である。
【００３５】
図６に、冷却液流量と積層方向のセル１２の温度特性のコンピュータによるシミュレーション結果を示す。計算条件は以下のとおりである。
（１）端部セル１２からの放熱の影響は無視する
（２）マニホールドを流れる冷却液が、各セル１２から受熱する熱量は一定である
（３）セル１２の積層枚数は２００枚
【００３６】
図６において、基準となるベース流量Ｆの場合、端部セル１２の外側にさらに０．０５Ｆ（５％）だけ冷却液を流した場合、端部セル１２の外側にさらに０．１Ｆ（１０％）だけ冷却液を流した場合、ベース流量Ｆの２倍（２Ｆ）だけ流した場合の、セルの温度を示す。セルＮｏ．１は最も手前側にあるセルであり、セルＮｏ．２００は最も奥側にある端部セルである。最も手前側のセルの温度は７０℃であり、ベース流量Ｆの場合には端部セルの温度は７６℃となる。温度バラツキは６℃である。また、流量を２倍にした場合には端部セルの温度は７３℃となる。温度バラツキは３℃まで低減される。
【００３７】
これに対し、端部セル１２の外側に５％だけ追加的に冷却液を流した場合には、端部セル１２の温度は約７３℃となり、ベース流量を２倍にした場合と同程度の温度バラツキの低減がある。また、端部セル１２の外側に１０％だけ追加的に冷却液を流した場合には、端部セル１２の温度は７２．３℃となり、さらに温度バラツキの低減効果がある。
【００３８】
これらの結果より、端部セル１２の外側に冷却液を流すことで積層方向のセルの温度バラツキを低減でき、かつ、５％〜１０％程度の冷却液を流すことで十分な低減効果が得られることがわかる。
【００３９】
以上より、プレート内マニホールド１６ｂを形成して端部セル１２の外側に冷却液を流すとともに、冷却液供給マニホールド１６ａに供給される流量Ｆの５％〜１０％の流量をこのプレート内マニホールド１６ｂに流すようにプレート内マニホールド１６ｂの断面積を設定することで、ポンプの消費電力を低減しつつ、比較的簡易な構成で温度バラツキを効果的に低減することができる。
【００４０】
また、冷却液流量調整機構２４によって冷却液の動圧に応じて流量を増減調整するため、燃料電池１０の発電量が大きく冷却液の流量も大きい場合には開放度を小さくして流量を制限し、燃料電池１０の発電量が小さく冷却液の流量も小さい場合には開放度を大きくして流量を増大するので、発電力が大きくプレート内マニホールド１６ｂに流れる冷却液の液量を確保する必要が本来的にない場合にはこれを満たすべく制限でき、発電量が小さくプレート内マニホールド１６ｂに流れる冷却液の流量を確保する必要がある場合にもこれを満たすべく増大できる。
【００４１】
なお、本実施形態において、冷却液量調整機構２４を配設するとともに、あるいは冷却液量調整機構２４を配設することなく、図７に示すように、冷却液供給マニホールド１６ａ内に断熱チューブ２６を配設し、冷却液が冷却液供給マニホールド１６ａ内を流れる際に、各セル１２から受熱しないように構成してもよい。断熱チューブ２６の厚みは、冷却液流路の断面積を小さくしないようにできるだけ薄い方が好ましいことは言うまでもない。図８に、断熱チューブ２６の外観斜視図を示す。断熱チューブ２６には、各セル１２に冷却液が供給できるように、孔又はスリット２７が形成される。断熱チューブ２６を冷却液量調整機構２４と併用することで、より効果的に温度バラツキ低減効果が得られるであろう。断熱チューブ２６は、熱伝導率の低い樹脂等で構成できる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
【００４３】
例えば、図４に示すように、燃料電池１０の発電量が増大すると、これにほぼ比例して冷却液の流量が増大し、冷却液が増大すると各セル１２の温度バラツキは低減されることから、燃料電池１０の発電量を所定のしきい値と比較し、燃料電池１０の発電量がしきい値を超える場合には、十分な流量があるとして冷却液量調整機構２４をａ方向に回動させてプレート内マニホールド１６ｂに冷却液が供給されないようにし、燃料電池１０の発電量がしきい値以下である場合には、流量が不足しているとして冷却液量調整機構２４をｂ方向に回動させてプレート内マニホールド１６ｂに冷却液が供給されるように制御してもよい。燃料電池１０の発電量は、車両に搭載される場合には車両の駆動を制御する制御部からの指令に応じて調整されるため、この制御部からの指令値で指令される目標発電量を所定のしきい値と比較してもよい。
【００４４】
また、本実施形態では、冷却液の動圧に応じて冷却液量調整機構２４がマニホールドの開放度を調整しているが、その調整方法は、連続的、非連続的、ステップ状、２値的のいずれでもよい。例えば、しきい値を設け、冷却液の動圧がしきい値を超える場合に開放度をＡ％（０≦Ａ＜１００）とし、動圧がしきい値以下である場合に開放度をＢ％（０＜Ｂ≦１００、かつ、Ａ＜Ｂ）とする。その一つの例は、冷却液の動圧がしきい値を超える場合に開放度を０％（全閉）とし、動圧がしきい値以下の場合に開放度を１００％（全開）とするものである。あるいは、２つのしきい値ＴＨ１及びＴＨ２（ＴＨ１＜ＴＨ２）を設定し、冷却液の動圧Ｐに応じて以下のように開放度を調整する。
（１）０＜Ｐ≦ＴＨ１の場合
開放度Ｂ％
（２）ＴＨ１＜Ｐ≦ＴＨ２の場合
開放度Ａ％
（３）ＴＨ２＜Ｐの場合
開放度Ｃ％
但し、Ｃ＜Ａ＜Ｂである。
【００４５】
また、本実施形態では、図１に模式的に示すように、冷却液の動圧に応じて弁（圧力弁）２０が開閉する機能としているが、別途センサを設けて冷却液の動圧を検出し、このセンサからの検出信号に応じて弁２０を開閉させる構成でもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０  燃料電池、１２  セル、１４  セル冷却流路、１６ａ  冷却液供給マニホールド、１６ｂ  プレート内マニホールド、１６ｃ  冷却液排出マニホールド、１８  エンドプレート、２０  弁、２２  バネ、２４  冷却液量調整機構。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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